單例模式(上)---如何優雅地保證線程安全問題

上次帥地問的問題，讓小秋學習了很多。這幾天小秋恰好學習了一些設計模式的知識，這不，又跑去找帥地探討一些問題了。

粗糙的同步

小秋：地哥，上次你問的問題，讓我收穫頗多，這些天我大體研究了下設計模式，帥地有什麼指教的嗎？

帥地：小子，行啊。那我再考考你得了。

此刻小秋聚精會神着等帥地又會拋出哪些問題.....

帥地：學過單例模式吧？單例模式有多種寫法，寫一種出來看看。

小秋：好啊，據說單例模式是面試中問的最多的一種模式，對於單例模式的幾種的寫法，我能夠至關熟練哦（有點得意）。

因而，小秋甩手就寫了一種懶漢模式的代碼出來

public class Singleton {
    private Singleton instance = null;
    //私有構造函數
    private Singleton(){};
    
    public Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}
複製代碼

懶漢模式：就是等到有線程調用getInstance這個方法時，纔來建立對象實例。與懶漢模式相反的是餓漢模式，下篇會講到。

帥地：夠熟練的你，不過你這段代碼並不是線程安全的，怎麼辦？

小秋：嘿嘿，簡單，看個人。

public class Singleton {
    private Singleton instance = null;
    //私有構造函數
    private Singleton(){};
    
    //多了個synchronized關鍵字
    public   synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

複製代碼

注：不清楚synchronized關鍵字的能夠看我以前寫的文章：線程安全(上)--完全搞懂synchronized(從偏向鎖到重量級鎖)

雙重檢測機制

帥地：你剛纔的那種線程不安全的寫法，你知道是在何時調用這個方法，會出現線程安全問題嗎？

小秋：知道了，主要是由於，當這個實例對象還沒有被建立過的時候，忽然同時有幾個線程來建立，就有可能會出現線程安全問題致使建立了不止一個實例。

可是，若是這個實例已經被安全着建立了以後，之後無論有再多的線程來調用，那麼都不會出現線程安全的問題，由於這個if語句裏面的代碼永遠不會被執行。

帥地：分析的很好，那麼問題來了。當一個對象被建立以後，之後有線程來調用這個方法，原本能夠不用進入同步塊也能保證線程安全的，但是，你把synchronized聲明在了方法名稱前，致使以後該方法的調用都會進入同步快，這樣很影響速度。

小秋：原來這樣，怪不得我看書本說，不推薦這種作法，那我改一下：

public class Singleton {
    private Singleton instance = null;
    //私有構造函數
    private Singleton(){};
    public   Singleton getInstance() {
        synchronized (Singleton.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}
複製代碼

帥地：小秋，你這樣其實和上面那個是幾乎同樣的，由於你把if(instance == null)這句話的判斷放在了同步塊內，之後有線程調用這個方法，仍是會每次都進入同步塊的。

其實，咱們須要的是，當判斷到instance != null時，就直接把instance返回了，而不是把這個判斷放到同步塊裏。

小秋：我知道怎麼作了。

因而，不一會，小秋劈里啪啦就寫好了

public class Singleton {
    private Singleton instance = null;
    //私有構造函數
    private Singleton(){};
    
    //這種是什麼鬼方式？
    public   Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class){
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}
複製代碼

帥地：你肯定你這段代碼是線程安全的嗎？

小秋趕忙在腦子裏模擬了一下當實例對象尚未被建立時，有兩個進程同時進入了if(instance == null){}代碼塊中，結果發現這兩個對象都會成功建立新的對象實例。

因而，小秋趕忙在同步塊中又加了一層if判斷。

public class Singleton {
    private Singleton instance = null;
    //私有構造函數
    private Singleton(){};
    
    //雙重檢測機制
    public   Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class){
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}
複製代碼

帥地：腦子棟的挺快嘛，這樣子基本就能保證線程安全了。嗯，很棒。這種加鎖的方法也叫作雙重檢測機制。

解釋說明：當instance==null時，假若有兩個線程p1,p2進入了第一個if語句，以後p1進入的同步塊中，成功建立了對象實例，這時候論到p2進入同步塊，因爲同步塊還有一層if(instance==null)的判斷，又由於此時instance != null了，因此p2沒法再建立新的實例對象。

小秋聽到帥地誇獎本身，滿臉開心....

指令重排的搗蛋

帥地：不過，你這樣寫，還不算是絕對的線程安全，仍是有可能會出現線程安全問題。你在仔細想一想。

小秋：還會出現線程安全問題？(一臉懵逼)....

一陣絞盡腦汁事後....

小秋：我以爲沒啥問題啊。

帥地：好吧，你已經寫的挺不錯了，今天就再讓你漲漲知識。

其實這個線程安全的問題，主要是由於對象的建立過程並不是是原子性的。在建立的過程當中，因爲指令重排的影響，才致使出現問題的。

所謂指令重排就是改變了指令的執行順序，例如代碼中有兩行代碼：int a = 10;int b = 20;因爲虛擬機指令重排的影響，編譯後有可能順序被改變了，變成這樣：int b = 20;int a = 10;

且聽我慢慢道來：

當咱們的虛擬機在執行 instance = new Singleton這句代碼時，會被分解成如下三個動做來執行：

memory = allocate();//1: 給對象分配內存空間。

ctorInstance(memory);//2: 初始化對象

instance = memory; //3: 把instance變量指向剛剛分配的內存地址。

可是，這三個動做的執行順序並不是是一成不變的，有可能通過JVM和CPU的優化編譯以後，這三個動做的執行順序發生了改變，變成了這樣：

memory = allocate();//1: 給對象分配內存空間。

instance = memory; //3: 把instance變量指向剛剛分配的內存地址

ctorInstance(memory);//2: 初始化對象

如今假設instance== null,且有p1, p2兩個線程來調用這個方法。當p1執行完1，3但尚未執行2時，這時instance已經再也不是null了。假如這個時候p2剛剛進入getInstance這個方法，而後執行if(instance == null)的判斷語句，這個時候判斷的結果會是false，因而p2直接把instance給返回的。

但因爲p1尚未執行動做2，此時的對象尚未被初始化，但卻已經被p2給返回了。此時，這個被返回的對象出現問題了。

因而，就出現了線程安全問題。

經過volatile來保證指令重排問題

小秋：又漲知識了。

帥地：問題的根源就是指令重排的影響，因此咱們只要保證在建立對象的時候，不要出現指令重排就能夠了。

因此說，咱們能夠把instance這個變量聲明爲volatile。代碼以下：

public class Singleton {
    private volatile Singleton instance = null;
     //私有構造函數
    private Singleton(){};
    
    public   Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class){
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}
複製代碼

注：不清楚volatile關鍵字的能夠看我以前寫的文章： 線程安全(上)--完全搞懂volatile關鍵字

這樣，只有把instance聲明爲volatile，那麼虛擬機就會保證這三個動做按照順序執行了，也就不會出現線程安全問題了。

小秋：哇，謝謝地哥的耐心講解呢。我要給你點個贊。

結束語

這兩次的文章都採用對話的模式來寫，以後的文章可能會更多的採用文字對話和漫畫對話的形式講，主要是由於如今還沒找到比較喜歡的漫畫人物，過幾天找到了，就嘗試用漫畫來說。

小夥伴們若是有好的人物推薦，能夠經過加我爲好友或者公衆號後臺發給我哦，在此感謝你們的支持。

完

獲取更多原創文章，能夠關注下個人公衆號：苦逼的碼農。同時也感謝把文章介紹給更多須要的人。